易 鋒, 肖昌榮, 劉 斌, 徐 軍

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075)

0 引言

海洋高分辨率單道地震采用單個(gè)檢波器接收震源激發(fā)的波場(chǎng)，具有成本低，效率高的特點(diǎn)[1]。由于單道地震所用震源的頻率較高(100 Hz～1 000 Hz)，單道地震數(shù)據(jù)的分辨率較高。經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后，單道地震數(shù)據(jù)能夠提供關(guān)于淺層沉積物清晰的圖像。由于這些特點(diǎn)，高分辨率單道地震廣泛應(yīng)用于海洋區(qū)域地質(zhì)以及海洋工程勘探調(diào)查[2-5]。在水合物勘探的初始階段，單道地震也廣泛用于尋找水合物存在的特征[6-7]。

與海洋多道地震數(shù)據(jù)一樣，海洋單道地震數(shù)據(jù)上的多次波非常發(fā)育[8]。與多道地震相比，單道地震數(shù)據(jù)的多次波壓制更具挑戰(zhàn)性。對(duì)于多道地震，多次波衰減是一個(gè)得到了長(zhǎng)足發(fā)展的領(lǐng)域，形成了非常多成熟有效的算法[8-9]。其中最常用、最有效的方法包括SRME技術(shù)[10]、高分辨率Radon[11]以及預(yù)測(cè)反褶積技術(shù)[12]等。原理上講，預(yù)測(cè)反褶積方法能夠應(yīng)用于單道地震數(shù)據(jù)，但該方法對(duì)于長(zhǎng)周期的多次波效果有限。為此，筆者提出基于模型預(yù)測(cè)和自適應(yīng)減的方法來(lái)衰減單道地震多次波。

1 方法

1.1 模型預(yù)測(cè)

多次波模型的預(yù)測(cè)是兩步法衰減多次波的第一步，其準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)自適應(yīng)減的效果。基于不同的假設(shè)和原理，存在多種預(yù)測(cè)多次波模型的方法。比如，基于周期的預(yù)測(cè)方法。采用自褶積的方法預(yù)測(cè)多次波模型，其計(jì)算公式為：

m(t)=x(t)*x(t)

(1)

圖1 數(shù)值模型、單道記錄以及自褶積預(yù)測(cè)的多次波模型Fig.1 Numerical model ， single channel seismic data and the predicted multiple model(a)數(shù)值模型；(b)單道記錄；(c)自褶積預(yù)測(cè)的多次波模型

其中:x(t)為單道地震數(shù)據(jù);m(t)為預(yù)測(cè)的多次波模型。從式(1)可以看出，自褶積方法是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型的預(yù)測(cè)方法，不依賴于其他信息。

舉例子說(shuō)明自褶積預(yù)測(cè)多次波模型的有效性。數(shù)值模型如圖1(a)所示，海底深度為750 m，按1 500 m/s的水速計(jì)算，海底反射出現(xiàn)在1 s左右，多次波在大約2 s。為顯示射線路徑的需要，我們把炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)放在較大的距離上。在實(shí)際中，對(duì)于單道地震采集，炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)距離較近。通過(guò)反射系數(shù)與子波的褶積，得到單道地震數(shù)據(jù)(圖1(b)所示)。單道地震數(shù)據(jù)上存在兩個(gè)反射軸，分別對(duì)應(yīng)海底反射以及海底反射的多次波。圖1(c)顯示了圖1(b)中單道地震數(shù)據(jù)按式(1)自褶積計(jì)算得到的多次波模型?？梢钥吹?，通過(guò)自褶積預(yù)測(cè)的多次波模型出現(xiàn)在2 s左右，說(shuō)明了自褶積方法建立單道地震多次波模型的有效性。通過(guò)自褶積不僅能預(yù)測(cè)出一階多次波模型,還能預(yù)測(cè)出高階多次波模型(圖1(c))。但在自適應(yīng)相減階段，我們僅僅截取與原始地震數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相同的部分(圖1(c)虛線所示)參與相減。

1.2 自適應(yīng)減

一旦建立了單道地震的多次波模型，就需要從地震數(shù)據(jù)中減去多次波模型。對(duì)比預(yù)測(cè)的多次波模型以及原始數(shù)據(jù)中的多次波可知，兩者在振幅能量上存在較大的差異，所以不能通過(guò)直接相減的方式來(lái)衰減多次波。最直接的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)振幅匹配算子來(lái)達(dá)到自適應(yīng)相減的效果[13]。自適應(yīng)減法通過(guò)一個(gè)連續(xù)的時(shí)間域維納算子來(lái)實(shí)現(xiàn)。維納算子通過(guò)極小化如下目標(biāo)函數(shù)來(lái)計(jì)算，如式(2)所示。

(2)

其中：g(t)為維納算子；x(t)為經(jīng)過(guò)噪音衰減之后的地震數(shù)據(jù)；m(t)為利用地震數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的多次波模型數(shù)據(jù)，基于輸入地震數(shù)據(jù)道和多次波模型道，對(duì)每一道計(jì)算一個(gè)整形濾波器。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，所涉及的量都是離散的序列，采用最小二乘方法進(jìn)行求解，得到離散的維納算子g(n)。

對(duì)比圖1(b)和圖1(c)可以看到，多次波模型與實(shí)際的多次波在出現(xiàn)的時(shí)間上也有一定的差異。維納算子本身能夠調(diào)整數(shù)據(jù)和模型之間的時(shí)間差異，但并不能調(diào)整任意的時(shí)間差異。為處理時(shí)間差異非平穩(wěn)的問(wèn)題，通過(guò)分時(shí)窗來(lái)計(jì)算維納算子，這使得在預(yù)測(cè)的模型比較粗糙時(shí)仍然非常有效。為使得自適應(yīng)減算子更加穩(wěn)健，在計(jì)算算子的時(shí)候還可加入鄰近道的信息。

2 實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果

為驗(yàn)證上述方法的有效性，將該方法運(yùn)用到實(shí)際的單道地震數(shù)據(jù)。所用數(shù)據(jù)來(lái)自南海北部陸坡采集的單道地震數(shù)據(jù)，所用震源為GeoSpark-2000J。數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為1 s，采樣頻率為6 000 Hz。由于數(shù)據(jù)采集時(shí)的海況較差，數(shù)據(jù)的質(zhì)量較低，而且受到涌浪的影響非常嚴(yán)重。

圖2 實(shí)際的單道地震數(shù)據(jù)Fig.2 Real marine single channel seismic data (a)原始數(shù)據(jù);(b)FX噪音衰減結(jié)果

圖3 FX預(yù)測(cè)反褶積前后的海底同相軸Fig.3 Seafloor reflector before and after fx predictive deconvolution (a)FX預(yù)測(cè)反褶積前;(b) FX預(yù)測(cè)反褶積后

圖2顯示了實(shí)際的單道地震數(shù)據(jù)噪音衰減前、后的剖面。在原始的剖面上(圖2(a))，反射界面比較清晰，但是連續(xù)性較差，而且存在較多的隨機(jī)噪音。海底反射多次波非常明顯，出現(xiàn)在兩倍海底反射時(shí)間附近。由于多次波能量非常強(qiáng)，更深一點(diǎn)的有效反射基本上被覆蓋了。圖2(b)顯示了經(jīng)過(guò)FX域預(yù)測(cè)反褶積處理之后的剖面。所用的時(shí)間窗為120 ms，重疊80 ms?？吹诫S機(jī)噪音得到了極大的衰減。通過(guò)放大海底附近的反射軸(圖3)，可以看到，F(xiàn)X預(yù)測(cè)反褶積提高了海底反射的連續(xù)性。

圖4(a)顯示了兩步法多次波衰減以后的剖面。在多次波模型計(jì)算時(shí)，對(duì)海底以上的部分進(jìn)行了切除處理。從圖4(a)可以看到，多次波得到了極大的衰減，殘余的多次波表現(xiàn)為隨機(jī)噪音。通過(guò)進(jìn)一步采用FX預(yù)測(cè)反褶積衰減噪音之后，殘余的多次波也得到了進(jìn)一步的壓制。得到最終的成果剖面(圖4(b))。與原始帶通濾波之后的剖面相比，最終的成果剖面信噪比高，反射軸清晰連續(xù)。

3 討論

3.1 模型預(yù)測(cè)

模型預(yù)測(cè)的思路在噪音壓制和多次波衰減中有著廣泛的應(yīng)用，也存在非常多的實(shí)現(xiàn)方式。在FX預(yù)測(cè)反褶積技術(shù)中，假設(shè)同相軸具有連續(xù)性，從而在FX域中預(yù)測(cè)出信號(hào)模型。在多道地震的多次波的壓制技術(shù)中，存在基于波動(dòng)方程和基于數(shù)據(jù)褶積兩種模型預(yù)測(cè)方式。前者計(jì)算量大，需要提供速度模型，后者則完全是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。多道地震多次波壓制技術(shù)中的SRME就是基于褶積的方式預(yù)測(cè)多次波。在SRME中，通過(guò)共炮點(diǎn)道集與共檢波點(diǎn)道集的褶積來(lái)獲得對(duì)應(yīng)炮檢點(diǎn)的多次波模型。在單道地震模型預(yù)測(cè)中，如果式(1)中的第一個(gè)x(t)看著是共炮點(diǎn)道集(雖然僅僅只有一道)，把第二個(gè)x(t)看著是共檢波點(diǎn)道集(同樣只有一道)，則可以看到，筆者采用的自褶積模型預(yù)測(cè)方法本質(zhì)上和SRME技術(shù)中模型的預(yù)測(cè)方法是一致的。

圖4 兩步法多次波衰減之后的剖面和最終成果剖面Fig.4 Profile after multiple attenuation and the final result(a)兩步法多次波衰減之后的剖面;(b)最終成果剖面

3.2 噪音和反射軸抖動(dòng)的影響

由于采用單道的方式接收，加之所用震源的頻率非常高，單道地震數(shù)據(jù)極易受到海洋環(huán)境因素的影響。較差的海況會(huì)帶來(lái)強(qiáng)振幅的噪音。噪音的存在，尤其是強(qiáng)振幅噪音的存在對(duì)模型的預(yù)測(cè)和模型的自適應(yīng)減都有不利的影響，所以在多次波衰減之間，要盡量提高數(shù)據(jù)的信噪比。提高信噪比的方法有很多，如濾波、FX預(yù)測(cè)反褶積以及時(shí)頻域噪音衰減等。

較差的海況(主要是大的涌浪)帶來(lái)的另一個(gè)影響是反射同鄉(xiāng)軸(包括海底反射同相軸)出現(xiàn)抖動(dòng)，在地震數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為毛刺狀。同相軸的抖動(dòng)首先影響模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，表現(xiàn)為模型多次波與實(shí)際多次波之間的時(shí)差增大。盡管自適應(yīng)減的步驟里邊考慮到了這種時(shí)差，但是對(duì)于較大的時(shí)差也不能很好地處理，所以在多次波衰減之前，還需要對(duì)這種由于涌浪引起的同相軸抖動(dòng)問(wèn)題加以矯正對(duì)于涌浪的影響，一般通過(guò)涌浪濾波或者靜校正的方式加以校正。涌浪濾波方法首先要求拾取一個(gè)海底，對(duì)該海底進(jìn)行平滑濾波之后當(dāng)作最終的海底。通過(guò)把拾取的海底校正到平滑后的海底上來(lái)衰減涌浪引起的同相軸抖動(dòng)現(xiàn)象。該方法對(duì)拾取的海底依賴較強(qiáng)，此外對(duì)于低質(zhì)量的數(shù)據(jù)有時(shí)難以拾取海底。羅進(jìn)華等[14]提出一種改進(jìn)的方法用以自動(dòng)拾取受涌浪影響的海底反射面并用于實(shí)際數(shù)據(jù)。靜校正是陸地地震資料處理的基本流程，有非常多的技術(shù)和方法[15]，但大多基于多道地震數(shù)據(jù)。李麗青等[16]提出用模型道互相關(guān)技術(shù)來(lái)改正涌浪對(duì)反射同相軸的影響；丁維鳳等[17]綜合利用模型互相關(guān)技術(shù)和平滑濾波技術(shù)來(lái)校正涌浪對(duì)剖面反射同相軸的影響。這些方法都能夠在一定程度上校正涌浪對(duì)同相軸的影響，但都以準(zhǔn)確拾取海底反射面為前提，而這在很大程度上依賴于人的認(rèn)識(shí)。

圖5 海洋單道地震優(yōu)化處理的流程Fig.5 Optimal processing workflow for marine high frequency single channel seismic data

從處理結(jié)果(圖3)，可以看到FX預(yù)測(cè)反褶積處理不僅衰減了噪音，還在一定程度上校正了由于涌浪導(dǎo)致的反射軸抖動(dòng)的問(wèn)題。所有的反射軸都變得光滑連續(xù)。FX預(yù)測(cè)反褶積算法的這個(gè)功能是由于算法本身的原理決定的，該算法本身帶有橫向預(yù)測(cè)同相軸的功能[18-20]。該算法對(duì)于崎嶇海底以及涌浪干擾引起的時(shí)差非常大的數(shù)據(jù)是否適用還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。此外，F(xiàn)X預(yù)測(cè)反褶積與其他涌浪校正算法可以結(jié)合起來(lái)使用。

3.3 處理流程

基于實(shí)際數(shù)據(jù)處理的效果，總結(jié)出一套高分辨率地震數(shù)據(jù)處理的流程，如圖5所示。首先，采用帶通濾波衰減低頻的海洋噪音，采用FX域預(yù)測(cè)反褶積方法衰減隨機(jī)噪音，通過(guò)這兩個(gè)步驟就得到了信噪比較高的剖面，同時(shí)改善了反射軸的連續(xù)性，這兩個(gè)方面都有利于后續(xù)多次波模型的預(yù)測(cè)和自適應(yīng)減；然后，采用兩步法衰減多次波；進(jìn)一步，采用FX域預(yù)測(cè)反褶積方法衰減殘余的多次波就得到最終高分辨率的成像剖面。

4 結(jié)論

為更好地衰減海洋單道地震的多次波，采用基于預(yù)測(cè)和自適應(yīng)相減的兩步法。在模型預(yù)測(cè)階段，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自褶積的方法。為提高自適應(yīng)減的效果，在計(jì)算算子時(shí)不僅考慮了模型與實(shí)際多次波時(shí)間的差異，還引入了相鄰道的信息。由于海洋采集環(huán)境引起的海底抖動(dòng)和涌浪噪音是影響兩步法多次波衰減效果的兩個(gè)主要因素，需要在多次波衰減步驟之前進(jìn)行處理。南海實(shí)際的單道地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明了本文方法的有效性。